第十五章质谱法
第十五章 质谱法
仪器分析
电喷雾离子化(electrospray ionization，ESI)
第十五章 质谱法
仪器分析
大气压化学离子化
(atmospheric pressure chmiecal ionization,
APCI)
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5.基质辅助激光解吸电离源
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(matrix-assisted laser desorption ionization source,MALDI)
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1.磁质量分析器(magnetic mass analyzer)
最常用的分析器类型之一就是扇形 磁分析器。离子束经加速后飞入磁极间 的弯曲区，由于磁场作用，飞行轨道发 生弯曲。
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单聚焦质量分析器
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单聚焦质量分析器工作原理:
离子在离子源中被加速后，飞入磁极的弯曲区， 受磁场作用而作匀速圆周运动，由于磁场作用使飞行 轨道发生弯曲，此时离子受到磁场施加的向心力作用， 且离子的离心力也同时存在，只有在上述两力平衡时， 离子才能飞出弯曲区。
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（一）真空系统
提供质谱仪的进样系统、离子源、质量 分析器和检测器正常工作所需的真空状态。
离子源真空度：1.3×10-4～l.3×10-5Pa 质量分析器和检测器真空度：l.3×10-6Pa
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（二）样品导入系统
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亦称进样系统，可高效重复地将样品引 入离子源且不造成真空度的降低。
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质谱法概述
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仪器分析
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质谱法特点
•灵敏度高 •响应时间短，分析速度快 •信息量大
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第一节 质谱法的基本原理和质谱仪
第十五章 质谱法
一、质谱法的基本原理
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质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品 离子按质荷比进行分离的装置。
此种进样方式一般要求试样最好在操作 温度下具有1.3～0.13Pa的蒸气压。
主要用于气体和易挥发试样
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2. 直接探针进样系统
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主要用于热敏性固体、难挥发性固体和液体试样
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在直接进样杆尖端装上少许样品(1～ 10ng)，经减压后送入离子源，快速加热使之 气化并被离子源离子化。
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FAB源的优缺点：
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优点：
(1)广泛应用的软电离技术，易得到较强的分 子离子或准分子离子，由此获得化合物分子量 的信息 ；
(2)在离子化过程中样品无需加热气化，离子 化能力强，对强极性、 难气化化合物也能电离，
故适合于热不稳定、强极性分子、生物分子及 配合物的分析。
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离子阱由一环形电极 上下各一端罩电极构成
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以端罩电极接地，在环电极上施以变化
的射频电压，此时处于阱中具有合适的m/z的
离子将在环中指定的轨道上稳定旋转，若增 加该电压，则较重离子转至指定稳定轨道， 而轻些的离子将偏出轨道并与环电极发生碰 撞。当电离源产生的离子由上端小孔进入阱 中后，射频电压开始扫描，陷入阱中离子的 轨道则会依次发生变化而从底端离开环电极 腔，从而被检测器检测。
1.电子轰击源
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（electron impact source，EI）
组成：是一种硬电离方法。主要由电离 室（离子盒）、灯丝（锑或钨灯丝)、 离子聚焦透镜和一对磁极组成，只能用 于小分子（400Da以下)的检测。
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在离子源内，用电加热锑或钨丝到2000oC,产生高速的电子束
常用的进样系统：间接式进样系统
直接探针进样系统
色谱联用进样系统
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1. 间接式进样系统
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通过试样管将少量(10～100μg)样品引 入试样储存器中，由于进样系统低压强及储 存器的加热装置，使试样保持气态。由于进 样系统的压强比离子源的压强大，样品离子 可以通过分子漏隙以分子流的形式渗透过高 真空的离子源中。
样品(试样与甲烷之比为1:1000)导入离子 源，试样分子(M)与试剂离子以下列方式进行 反应，转移一个质子给试样或由试样移去一个 H+或电子，试样则变成带M+的离子。
CH5+(C2H5+)+M→(M+H)++CH4(C2H4) CH5+(C2H5+)+M→(M-H)++CH4(C2H6)
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其中V为电压的交流幅值，ω为高频电 压角频率，t为时间。
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3.飞行时间分析器
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(time of flight analyzer，TOF)
这种分析器的离子分离是用非磁方 式达到的，因为从离子源飞出的离子动 能基本一致，在飞出离子源后进入一长 约lm的无场漂移管，不同m/z离子到达终 点时间差为:
通常将试样放入小杯中，通过真空闭锁 装置将其引入离子源，对样品杯进行冷却或 加热处理。
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3. 色谱联用导入系统
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利用与质谱仪联机的气相色谱仪或高 效液相色谱仪将混合物分离后，通过特 殊系统的联机“接口”进入离子源，依 次进行各组分的质谱分析
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（三）离子源
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缺点：
(1)CI图谱与实验条件有关，不同仪器 获得的CI图不能比较或检索，因此一般
不能制作标准图谱
(2)碎片离子少，缺少样品的结构信息
(3)样品需加热气化后进行离子化，故 不适合于热不稳定、难挥发物质的分析
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3.快原子轰击源
(fast atom bombardment ionization source，FAB)
2.化学电离源
（chemical ionization source，CI）
化学电离法是待测物通过气相分子一离子反应来进 行的。核心是质子的转移。
CI源结构(与EI源相似):电离室（离子盒）、灯丝 （锑或钨灯丝)、离子聚焦透镜和一对磁极组成。
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化学电离源常用的反应气是CH4、异 丁烷、NH3、H2O、H2或He等。在高能电子 流的轰击下，反应物(如CH4)首先被电离， 生成一次离子CH3+和CH4+·，即
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离子电离后经加速进入磁场中，其动能 与加速电压及电荷Z有关，即
z为电荷数，e为元电荷，U为加速电压， m为离子的质量，υ为离子被加速后的运 动速度。
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二、质谱的表示方法 (一)质谱图
以质荷比（m/z）为横坐标，以相对 强度为纵坐标，并将最强的离子峰定为基 峰，强度定为100%，其他离子峰以其对基 峰的相对强度百分值表示。
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三、质谱仪
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质谱仪的基本组成：真空系统、样 品导入系统、离子源、质量分析器、离 子检测器，其中离子源和质量分析器是 质谱仪的两个核心部件。
样品导 入系统
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离子源
质量 分析器
检测器
仪器分析
放大器 记录器
真空泵
质谱图
I
m/z
15-2 质谱仪的组成
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分辨率可达5000。该仪器不能对不同动能(能量) 的离子实现聚焦。若要求分辨率大于5000，则需要双 聚焦质量分析器。
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双聚焦质量分析器
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2.四级质量分析器(quadrupole mass filter)
由四根平行的金属杆组成，理想的四杆 为双曲线，但常用的是四支圆柱形金属杆， 被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间 的准直小孔。
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缺点：
重现性差，对于非极性化合物灵敏度 低，且基质在低质量数区(400Da)以下
产生较多干扰峰
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4.大气压电离源
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(atmospheric pressure ionization，API)
是在大气压下的质谱离子化技术的总称， 包括电喷雾离子化（ESI）、大气压化学离子 化(APCI)和大气压光喷雾离子化(APPI)等技 术 ，ESI和APCI是液相色谱-质谱联用的接口。
MALDI广泛应用于多肽、蛋白质、低聚核苷 酸和低聚糖,可测分子量达40万Da以上。MALDI 与飞行时间(TOF)联用已经成为生命科学研究中 非常重要的工具。
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（四）质量分析器
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依据不同方式将样品离子按质荷比m/z 分开，得到按质荷比大小顺序排列的质 谱图
质量分析器的主要类型有：磁质量分析 器、四极滤质器、飞行时间分析器、离子 阱质量分析器和离子回旋共振分析器等
CH4+e→CH4+·+2e CH4+·→CH3++H·
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一次离子CH3+和CH4+·快速与大量存在的 C次H离4分子子C发H5+生和离C2子H5-+，分即子反应，生成二
CH4++CH4→CH5++CH3· CH3++CH4→ C2H5+ +H2
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